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3D 列印是什麼?|PanX 每週單字

「你一定聽過 3D 列印,但你是不是僅只於『聽過』而已?」

隨著專利過期、自造者運動興起、媒體大量傳播,幾年之間「3D 列印」成為了家喻戶曉的科技「新」名詞。但在這種異常快速的傳播下,反而使大多數的人們對 3D 列印產生錯誤的理解,你是否也以為 3D 列印無所不能,但其實卻一無所知呢?

3D 列印,誰的好主意?

3D 列印泛指將原料逐步「加」上去的過程,與使用已久的數位製造法如 CNC 車削、铣削等將大塊原料慢慢刪「減」的過程正好相反。從由 MIT 於 1989 年提出的「3D 列印」(3D printing,簡稱 3DP)、「快速成型」(Rapid Prototyping,由 3D Systems 公司於 1989 年提出)到「實體自由製造」(Solid Free-form Fabrication,於 1990 年被提出),最終在 2010 年,美國材料和試驗協會(American Society for Testing and Materials,簡稱 ASTM)的正式定義之下,統稱為「加法製造」(Additive Manufacturing,簡稱 AM),只是我們在口語上還是習慣稱為 3D 列印,也比較容易理解。

3D 列印的起源也是眾說紛紜,美國 3M 公司的 Alan J.Herbert(1982 年)、日本名古屋市工業研究所的小玉秀男(1980 年)、美國 UVP 公司的 Charles W. Hull(1984 年)、日本大阪工業技術研究所的丸谷洋二(1984 年),都各自獨立地提出了快速成型的技術設想,實作的材料和方式雖有不同,但均以多層疊加並固化來產生實體。其中, Charles W. Hull 被視為 3D 列印技術商業化的重要推手,他在 1986 年創立了 3D Systems 公司,利用紫外線雷射來固化光聚合物,發展出立體平版印刷(Stereolithography,簡稱 SLA),並設計出被廣泛應用於 3D 列印軟體的 STL 檔案格式。1989 年美國麻省理工學院申請了第一個 3D 列印的專利技術,此後即開始了快速成形相關技術的應用發展。

不是九九乘法,而是七種加法

ASTM目前將 3D 列印分成 7 大類型:光聚合固化技術(Vat Photopolymerization;VP)、材料擠製成型技術(Material Extrusion;ME)、材料噴塗成型技術(Material Jetting)、黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)、粉體熔化成型技術(Powder Bed Fusion;PBF)、疊層製造成型技術(Sheet Lamination,又稱分層實體製造,Laminated Object Manufacturing;LOM) 與指向性能量沉積技術(Directed Energy Deposition,又稱 EBM 電子束熔化成型,Electron beam melting),未來還可能會有第 8 種。

其中有四種是目前市面上發展最成熟、使用最廣泛,且各自在不同領域中發光發熱,以下為其簡單介紹:

1. 粉體熔化成型技術(Powder Bed Fusion;PBF)

又稱選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering;SLS)以及選擇性雷射熔化(Selective Laser Melting;SLM),以雷射產生的能量將粉末狀的原料燒結,再覆上一層新的粉末,如此反覆進行。最終完成的物件會埋沒在其它未經燒結的粉末之中,必須以人工的方式去除粉末、挖掘出來。目前已能配合使用的材料包含:高分子材料、金屬材料、橡膠材料等。

粉體熔化成型技術
粉體熔化成型技術

2. 材料擠製成型技術(Material Extrusion;ME)

又稱熱熔推疊層基法(Fused Deposition Modeling;FDM),是目前最廣為人知、最廉價也最廣泛分布的 3D 列印。理是將輸入的線材經由加溫熔化,隨著噴頭的移動然後擠出、逐層疊加。最常見的材料為 ABS 以及 PLA 等熱塑性高分子材料,現在也陸續出現許多經由加料來改質的產品,不但具有各種顏色、還能產生夜光、具有磁性、遇熱變色等各種效果。

材料擠製成型技術
材料擠製成型技術

3. 光聚合固化技術(Vat Photopolymerization;VP)

還記得蛀牙時,牙醫會把蛀蝕的部分磨除,然後填上樹酯、用 UV 光照射固化嗎?這種技術使用的材料便是類似的光敏樹酯。這種方式又稱立體平版印刷(Stereolithography;SLA),在樹酯槽中照射特定波長的光線固化物件、然後移動已固化的部分來騰出一些空間給未經固化的樹酯,如此反覆進行。能配合使用的材料除了有一般的光敏樹酯、固化後具有彈性的樹酯、還出現了可供鑄造的類蠟材料,為金工飾品的製作打開了一道全新的大門。

光聚合固化技術
光聚合固化技術

4. 黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)

又稱三維噴塗黏結法(Three Dimensional Printing and Gluing;3DPG),加工方式與雷射燒結十分類似,都是將粉末狀的原料結合;但這種方法使用了黏著劑來結合粉末,並在噴塗的時候同步混入墨水,因此可印製美麗的全彩成品。雖然使用的原料以石膏粉末為主,成品較不適合作為機構件使用,作為注重色彩表現的產品打樣倒是十分合適。

黏著劑噴塗成型技術
黏著劑噴塗成型技術

 

「第三次工業革命」的火種

回顧過去,人類歷史上已經歷經過兩次工業革命,分別是將生產力從人力轉向機械化、開啟大規模生產的第一次工業革命,以及進入電氣應用、提供製造效率的第二次工業革命。如今,將製造業數位化的第三次工業革命正在進行中,且有別於前兩次的大量生產,第三次工業革命注重客製化,顛覆了許多製造業的傳統流程。

3D 列印無疑是其中強而有力的推手,不但具有低成本、快速成型、個人化等優勢,還可能翻轉全球的供應鏈,將工廠帶回市場,「將家庭變成工廠」,但不同於以往的代工機制,而是人人都具備自造東西的能力。去年,美國總統歐巴馬在國情咨文演講中宣示,3D 列印是美國未來領導全球生產與製造業的技術革新;此後,3D 列印便開始在台灣迅速延燒,甚至引發部分傳統製造業的恐慌和反彈,但 3D 列印並不會取代傳統製造產業,而是以此為基礎,進行技術和方向的革新。

目前 3D 列印主要分成兩個路線,一是創業者與業餘愛好者(大部分為自造者)利用便宜、實用的 3D 列印機或其餘機器來進行小量製造;另一種則是大型製造商正在建立具有工業強度的先進方法,或是將 3D 列印用於測試、製造原型等實驗性過程。在傳統製造業的「供」開始不再符合消費者個人「需」求的現在,無論是哪一種使用者,都正以 3D 列印試圖翻轉世界目前的供需失衡,用不斷突破的速度製造出未來世界的原型。

 

參考資料:

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現為vMaker執行編輯,愛玩愛吃愛科學,豢養倉鼠狂熱者,剛踏進Maker的世界並自得其樂,自信傑作是讓樂高機器人無限自轉。

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